Problemas de armónicos y solución de UPS para la instalación de computadoras

«¿Problemas de armónicos afectando tu instalación de computadoras? Descubre cómo una UPS puede ser la solución que estás buscando.»

Las instalaciones informáticas pequeñas o grandes son susceptibles a armónicos en las líneas eléctricas. Los diseños avanzados de computadoras y periféricos los hacen virtualmente a prueba de fallas. Pero en presencia de energía de baja calidad, la presencia de armónicos reduce la vida útil de los equipos y los somete a fallas prematuras. No se aplican todos los instrumentos de medición estándar de corriente alterna, voltaje, potencia, factor de potencia, como resultado, acceder al origen de la falla es muy difícil. El SAI tiene problemas de asociación tanto en la entrada como en la salida de armónicos, prácticamente todos los periféricos tienen rectificadores de entrada, que extraen corrientes armónicas. La salida del SAI utiliza filtros, algoritmos de conmutación especiales para superar los efectos negativos. Una fijación unilateral del % de armónicos a ambos lados del SAI genera costes elevados.

Hay un crecimiento natural de armónicos en las cargas eléctricas de una instalación moderna, ya que utiliza equipos electrónicos avanzados como comunicaciones, computadoras, servidores, etc. Estos equipos funcionan con fuentes de alimentación de CC internas derivadas de la red de CA disponible. Todas estas cargas toman corrientes no lineales del suministro y generan armónicos en el suministro. Para la continuidad de las comunicaciones, aferrándose a los programas y datos, se utilizan habitualmente sistemas SAI. Hay tres tipos de sistemas UPS en uso: fuera de línea, iterativo en línea y en línea. En el sistema UPS interactivo fuera de línea y en línea, la red de CA, cuando esté disponible, conectada directamente sin frecuencia ni corrección de armónicos, por lo tanto, los armónicos presentes en la red se transmiten a las cargas. De manera similar, las corrientes armónicas de carga pasan a la línea de entrada sin ningún tipo de filtrado.


Los sistemas UPS en línea, que actúan efectivamente como un amortiguador de armónicos entre la carga y la fuente de alimentación. Además de proporcionar energía ininterrumpida, por su acción amortiguadora son los preferidos por prácticamente todas las aplicaciones electrónicas.

Los sistemas UPS están asociados con problemas de armónicos así como con soluciones. Existen diferentes tipos y la intensidad de los problemas de armónicos en función de las clasificaciones de potencia. Los sistemas UPS ampliamente divididos en la siguiente gama


1. Micro UPS (Menos de 3 KVA)
2. SAI de baja potencia (3 – 20 KVA)
3. SAI de Media Potencia (20 – 100 KVA)
4. SAI de alta potencia (superior a 100 KVA)

RECTIFICADOR MONOFASICO
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Comenzando con un rectificador monofásico con diodos y condensadores de filtros utilizados para alimentar el inversor, la corriente consumida es muy pico. Cuando se utilizan rectificadores controlados para alimentar tanto la alimentación

Inversor y batería de carga, las baterías flotan a través del bus de CC común compartido por el inversor. Las corrientes consumidas no son lineales y contienen armónicos.

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Considere un esquema de bloques simple común a prácticamente todos los tipos de sistemas UPS en línea. El rectificador del sistema UPS que se muestra en la figura anterior está conectado a la fuente de entrada de energía primaria. En la mayoría de los casos, la fuente de entrada es una fuente de alimentación de CA comercial disponible. En situación de escasez de energía, todas las instalaciones críticas son apoyadas por grupos electrógenos diesel, que se encienden y suministran energía AC a los sistemas UPS. El rectificador del sistema UPS consta de dispositivos y filtros controlados. Hay una variedad de circuitos rectificadores y configuraciones utilizadas en función de los requisitos de potencia. El problema armónico es prominente en UPS de media y alta potencia en todas las configuraciones de rectificadores utilizados.

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Durante el ciclo positivo de la forma de onda de CA, el diodo D1 y D4 se polariza hacia adelante y la corriente fluye desde la fuente al diodo D1, D4 y al capacitor y regresa a la red eléctrica. De manera similar, durante el ciclo negativo, la corriente fluye desde la fuente al diodo D2, D3 y al capacitor y regresa a la red eléctrica. Así, la dirección de la corriente en el capacitor permanece unidireccional durante el ciclo completo de corriente alterna. 5 KVA y más, muchos de los sistemas UPS utilizan el tipo de tiristores de rectificadores. Se utiliza un rectificador monofásico de hasta 10 KVA, mientras que un rectificador trifásico de más de 10 KVA se utiliza.

Para rectificadores de potencia media en el SAI, utilice convertidores de 6 pulsos de manera principal. Los 6 pulsos tienen un patrón de comportamiento armónico bien documentado. Los rectificadores de UPS usan filtros en el lado de CC y tienen una batería como EMF posterior. Esto es similar a la situación de la unidad de CC. En la mayoría de los casos el rectificador opera en modo de corriente discontinua, toma picos de corriente y tiene armónicos que van del 15 al 40 %. Hay una seriedad añadida a los problemas de armónicos en las condiciones indias en las que la variación del voltaje de entrada es muy amplia, se experimenta una alta impedancia de entrada y una amplia fluctuación de frecuencia. Debido a estos problemas, hacer un rectificador de 6 pulsos con trampas de armónicos para mantener el 5 % de la corriente de entrada es un desafío tecnocomercial.

SOLUCIÓN PARA EL CONTROL DE ARMÓNICOS AGUAS ARRIBA

1. INDUCTOR EN LA ENTRADA DEL RECTIFICADOR

Consiste en suavizar el inductor aguas arriba del rectificador del SAI y se suma a la inductancia total de la fuente. La desventaja del uso del inductor es que se produce una caída de tensión de línea en el inductor.

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2. FILTRO PASIVO LC

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Esta solución consiste en instalar, además de un inductor de filtrado, un filtro LC en paralelo en la entrada del rectificador/cargador. El valor de L y C se selecciona de manera que la impedancia del filtro sea cero para los 5 elcorriente armónica (la más significativa) y baja para 7el corriente armónica. Para ello se seleccionan valores tales que LCw2 = 1 para H5, es decir, f = 5 x50 = 250 Hz. Así para

  1. El quinto orden armónico (250 Hz), la impedancia paralela es igual a cero. Toda la corriente del quinto armónico fluye a través del circuito paralelo y ya no afecta a las otras cargas.
  2. El séptimo orden armónico (350 Hz 0 dado el ligero cambio de sintonía, la impedancia en paralelo sigue siendo baja y parte de la corriente H7 también se elimina.
  3. Los armónicos con órdenes superiores, la impedancia del filtro en paralelo es muy próxima a la de su inductor serie y funciona como divisor de tensión.

VENTAJAS:

1. Solución simple y confiable
2. El inductor se puede agregar a la instalación en cualquier momento.
3. Aumento del factor de potencia de entrada. La presencia del circuito de filtro paralelo sintonizado a los quintos armónicos hace que aparezca una corriente capacitiva en la frecuencia fundamental. Esta corriente capacitiva puede, por tanto, mejorar el factor de potencia del rectificador.

DESVENTAJAS:

1. Espectro limitado. Esta solución es efectiva solo para frecuencias cercanas a la frecuencia sintonizada. Elimina la corriente del quinto armónico, una parte del séptimo armónico, pero muy poco de H11 y H13.
2. Poco adecuado para cambiar el nivel de carga. La eficacia se reduce a la mitad cuando el SAI funciona al 50 % de la carga.
3. Dependencia de la fuente. Si la instalación incluye un grupo electrógeno de motor, el filtro básico no se puede utilizar si el grupo electrógeno de motor no puede aceptar una corriente capacitiva igual al 30 % de la corriente del rectificador. En este caso se requiere filtro compensado.

FILTRO DE PULSO

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Esta solución, de la que UPS SYSTEMS fue uno de los precursores allá por 1975, puede utilizarse tanto para sistemas SAI individuales como paralelos. Utiliza (ver figura 8) un transformador con dos devanados secundarios para suministrar tensiones con un desfase del 30%, cada uno de los secundarios alimentando un puente rectificador Gretzky. El resultado es una rectificación de 12 pulsos porque el puente doble tiene doce patas.Los rectificadores deben suministrar corrientes CC idénticas para garantizar que las corrientes CA consumidas en el secundario del transformador tengan los mismos valores. De esta forma se recombinan las corrientes armónicas generadas por cada uno de los rectificadores en el primario del transformador.

El cambio de fase seleccionado reduce los órdenes armónicos 6k+_1 (donde k es un número entero) y solo quedan los órdenes 12k+_1. Se eliminan así los órdenes armónicos H5.H7, H17 y H19. Se mantienen los órdenes armónicos H11, H13, H23 y H25. La corriente resultante tiene una forma de onda que se asemeja más a una corriente sinusoidal que la obtenida por un solo rectificador.

La corriente resultante en la entrada del transformador es más sinusoidal en comparación con el rectificador de seis pulsos y la forma de onda de la corriente (corriente de entrada) es la siguiente.

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DIFERENTES VERSIONES

1. Doble puente y transformador con dos secundarios.
2. Doble puente y autotransformador.
3. Conexión en serie o en paralelo del rectificador

VENTAJAS

1. Rendimiento aceptable, pero inferior al de los filtros pasivos: THDI<=10%.
2. Aislamiento galvánico completo a la entrada del SAI para versiones con transformadores como los propuestos por UPS SYSTEMS.


DESVENTAJAS

1. Debe planificarse desde el diseño de la instalación etapa 2. Compleja (voltaje balanceado, corrientes de cortocircuito, corrientes de rectificador).
2. Caro (doble rectificador, transformador con doble secundario o autotransformador).
3. Mal adaptado a los cambios en el nivel de carga. La eficacia cae con el porcentaje de carga (el THDI aumenta del 10 % a plena carga al 15 % al 50 % de carga).
4. No cumple con la guía IEC 61000-3-4

ACONDICIONADOR ACTIVO

Principio de operación

UPS SYSTEM introdujo esta topología en 1997, donde el rectificador tiene una configuración similar a la de un puente doble, sin embargo, con algunas diferencias, el acondicionador activo incluye un puente IGBT de 6 pulsos con clasificación completa que compensa/cancela activamente los armónicos de corriente reinyectados.

El acondicionador activo ofrece las siguientes ventajas.

1. Eliminación de armónicos (THDI<5%)
2. Un aumento en el factor de potencia hasta PF>0.94
3. Un nivel de rendimiento prácticamente constante del 30 al 100% de carga, sea cual sea el tipo de fuente.
4. Libertad total en la instalación porque la ausencia de armónicos aguas arriba hace que no se requieran más precauciones especiales.
5. Compatibilidad total con grupos electrógenos de motor incluso a niveles de carga bajos, lo que a su vez reduce el riesgo de

a) Perturbar el funcionamiento del grupo electrógeno del motor (aumento de la temperatura, regulación alterada, etc.)
b) Aumento de la distorsión del voltaje debido a la mayor impedancia de la fuente (la reactancia subtransitoria X”d de un grupo electrógeno de motor es aproximadamente del 10 al 12 % en comparación con el 3 al 4 % del voltaje de cortocircuito Uscx de un transformador) 6.Hasta un 15% de reducción en el consumo con la correspondiente optimización de los cables aguas arriba, el transformador y el grupo electrógeno del motor. Los kVA extraídos en la entrada son menores que los kVA de salida;

a) El factor de potencia de entrada es >0,95, con la corriente y el voltaje mantenidos en fase por el sistema de regulación, y el factor de potencia o/p durante el funcionamiento normal es de 0,8
b) Un SAI con 200 KVA de potencia de salida aparente (es decir, 160 kw donde PF=0,8) consume (dado el 93 %)

-Con rectificador tradicional (entrada pf=0,8): s=(160/0,91))/0,5=215 KVA

– Con rectificador de impulsos activo: S’=(160/0,91)/0,94=187 KVA es decir una reducción de

(S-S’): S =(215-187)/215=13%

6. Cumplimiento total de la guía IEC 61000-3-4. El THDI <4% significa que los armónicos principales están por debajo del 3%. De hecho, el nivel individual para todos los órdenes de armónicos es significativamente menor que los requisitos contenidos en la guía IEC 61000-3-4.

COMPARACIÓN DE SOLUCIONES

enfoque THM

UPS SYSTEM propone un enfoque general para el control de armónicos en el marco de THM (gestión total de armónicos).

Este enfoque comienza con una auditoría in situ de la instalación del cliente, seguida de soluciones propuestas que se adaptan con precisión a los objetivos operativos del cliente.

Para los SAI, este enfoque permite garantizar un nivel deseado de compatibilidad armónica o eliminar armónicos. Para ello y en función de las necesidades de los clientes, UPS SYSTEMS puede proponer toda la gama de soluciones presentadas en las páginas anteriores.

Problemas de armónicos en la salida del SAI

Como se ve en el esquema de bloque de la figura 1, no hay ningún tipo de distorsión en la salida del UPS desde el suministro de entrada, ya que hay un enlace de CC con la batería. El inversor en el UPS genera voltajes trifásicos o monofásicos de onda sinusoidal de salida. Los inversores IGBT utilizan una de las técnicas comunes de la modulación de ancho de pulso de onda sinusoidal (PWM).

Hay muy pocas aplicaciones de gama baja que utilizan inversores de onda semicuadrada, que contienen altos armónicos en la generación, estos tipos no se consideran para este documento.

La figura muestra el control en forma de esquema de bloques, hay una referencia interna de onda sinusoidal pura generada con una distorsión inferior al 0,1 %, se compara la forma de onda de salida del SAI y se ajusta el ancho de pulso. Esto sucede más de 20 veces en un ciclo de energía, por lo tanto, la forma de onda de salida se corrige en pasos muy precisos, lo que da como resultado una buena onda sinusoidal.


La frecuencia de modulación utilizada varía según el rango de KVA, por razones prácticas de ruido, limitaciones del dispositivo, etc. Los Micro UPS utilizan frecuencias superiores a 20 kHz, los UPS de baja potencia de 10 a 20 kHz, los UPS de media potencia utilizan frecuencias de 1 a 5 kHz. En todos los inversores, se utiliza un filtrado L y C simple para eliminar los armónicos de frecuencia de modulación residual y las formas de onda de tensión obtenidas son de onda sinusoidal pura con armónicos inferiores al 2-5 % o algo así, estándar industrial para todas las aplicaciones.

Como en el caso de la red, las cargas no lineales consumen corrientes armónicas cuando estas interactúan con la serie L del filtro de salida del inversor, se producen tensiones armónicas en la salida del SAI. Estos se aplican a otras cargas en el punto de acoplamiento común (según lo especificado por IEEE), que no es más que un punto de salida de UPS para todos los propósitos prácticos. Los efectos nocivos conocidos de la presencia de armónicos están ahí, algunos de ellos se ven fácilmente, otros crean fallas prematuras en los componentes que no pueden atribuirse a ninguna causa aparente. Todos los efectos negativos conocidos existen como calentamiento en condensadores, transformadores, motores, etc. El procedimiento estándar para distribuir la carga en UPS trifásicos de manera que la corriente neutra permanezca baja no resuelve los efectos negativos de la corriente neutra en presencia de armónicos atraídos por la carga. Se debe tener especial cuidado para limitar el voltaje neutral a 3 voltios. Los límites provienen del uso de chips semiconductores de trabajo de alta velocidad de 3.3 voltios. voltaje y excede el límite del equipo de manejo de 3 a 5 voltios, lo que a su vez da como resultado operaciones poco confiables.


CONCLUSIONES

Claramente, se destacan dos tipos de soluciones

1.Las soluciones de bajo costo que ofrecen un rendimiento promedio.

Estas soluciones implementan un filtro pasivo estándar.

1. Es posible reforzar las soluciones según la instalación (filtros compensados ​​o filtros no compensados ​​con contactor)
2.Las soluciones de alto rendimiento, que son marginalmente costosas en las inversiones iniciales, sin embargo, reducen el TCO (costo total de propiedad) y, lo que es más importante, cumplen con las recomendaciones de la guía IEC 61000-3-4.

Estas dos soluciones son:

a) Rectificador de “factor de potencia limpio corregido”
b) Rectificador de armónicos activo para compensar los armónicos generados por el puente graetz de 6 pulsos

Las muchas ventajas proporcionadas por las soluciones de PFC y acondicionador activo a un costo total de propiedad relativamente bajo hacen que las soluciones tradicionales a un costo total de propiedad relativamente bajo hagan que las soluciones tradicionales de 12 pulsos, para las cuales MGE UPS fue uno de los pioneros en 1975, sean prácticamente obsoletas. Además, estas soluciones no respetan las recomendaciones de la guía IEC 61000-3-4.


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